Злетіти з п'ятачка | Журнал Популярна Механіка

1. Від «столу» до «луня»
2. Анатомія «Луня»
3. радянський досвід
4. Спроба - не катування
5. «Огірок»
6. Європа
7. подальші перспективи

Досвід Другої світової війни показав, що однією з найбільш уразливих сторін фронтової авіації є аеродроми. Навіть в разі збереження боєздатних літаків в укриттях їх застосування з зруйнованої злітно-посадкової смуги стає неможливим. Шлях до вирішення проблеми був очевидний, але недостатній рівень розвитку техніки не дозволяв створити літак, що не потребує довгої ЗПС, - перші реактивні машини через малу тяговооруженности (відношення маси літака до тяги двигуна) мали розбіг більше кілометра. Але технологія не стояла на місці.

Можливість створення літаків з вертикальними зльотом і посадкою (СВВП, англійський термін - VTOL, Vertical Take-Off and Landing) почала обговорюватися в 1950-х, коли світове двигунобудування переживало бурхливий ріст. Для вертикального зльоту тяга двигуна повинна була перевищувати вагу літака, зате такі машини могли б злітати по тривозі прямо з ангарів або з будь-яких непідготовлених майданчиків. Подібна схема обіцяла виняткові переваги і для корабельної авіації. Проекти, ще недавно здавалися неможливими, стали активно фінансуватися.

У 1957-му здійснив свій перший політ американський літак X-13 Vertijet фірми Ryan. Ця незвичайна машина злітала вертикально у всіх сенсах. Оскільки після відриву від землі напрямок тяги двигуна потрібно було змінити, щоб почати розгін в горизонтальній площині, а в 1950-х про створення поворотного сопла ще не було мови, конструктори вирішили стартувати прямо з вертикального положення. Крихітний літак висів, зачепившись носовим гаком за виступ на спеціальній щоглі, а коли апарат починав підніматися, система розчіплювати.

Як-38 на злеті

З самого початку стало зрозуміло, що звичний спосіб керування літаком за допомогою аеродинамічних поверхонь (елеронів, рулів висоти і напряму) абсолютно неефективний на малих швидкостях. Змінити становище «висить на двигуні» машини можна тільки струминними рулями (відхиляється тягою додаткових реактивних мікродвигунів), і конструктори, перебравши близько сорока варіантів конструкцій, зуміли розробити таку систему. Vertijet успішно літав, а під час демонстраційного польоту навіть здійснив посадку недалеко від Пентагону, проте складність в управлінні зробила літак недоступним для льотчиків середньої кваліфікації, і програма була закрита. Численні проекти інших американських фірм, таких як Lockheed і ConVair, також не дійшли до серійного виробництва.

Від «столу» до «луня»

Працювали над цією темою і по інший бік океану - в СРСР і Великобританії. Для випробувань і налагодження нових технічних рішень будувалися різні експериментальні стенди, такі як британський TMR і його радянський аналог «Турболіт». На цих апаратах турбореактивний двигун був встановлений вертикально, а струменеві керма рознесені по сторонам на чотирьох ферменних кронштейнах. Через свого зовнішнього вигляду «Турболіт» прозвали «літаючим столом». На випробуваннях апарати повністю виправдали нову концепцію, показавши відмінну керованість. Але якщо стенду були не потрібні особливі тактико-технічні характеристики, то бойовий літак повинен був володіти прийнятними якостями і при нормальному, горизонтальному польоті. Для цього потрібно розробити новий, «Підйомно-маршовий», двигун (ПМД), зміна вектора тяги якого досягалося за рахунок застосування поворотного сопла, відхиляється реактивний струмінь в потрібному напрямку. Першим таким двигуном став англійський турбовентиляторний Rolls-Royce Pegasus.

У літака відкриті стулки повітрозабірника і сопел підйомних двигунів, що знаходяться прямо за кабіною пілота. В СРСР, що не надто великою кількістю авіанесучих кораблів, були проведені успішні випробування по посадці Як-38 на спеціально переобладнаний для цих цілей морської суховантаж.

Проектування фірмою Rolls-Royce нового двигуна йшло одночасно з розробкою нового літака, за яку взялася компанія Hawker. У створенні машини взяв участь сам сер Сідней Кеммі - один з прославлених англійських інженерів, конструктор знаменитого літака Hurricane, що склав основу винищувальної авіації Королівських ВПС під час «Битви за Британію». NATO дуже зацікавилося новим проектом і погодився профінансувати розробки, так що вже восени 1960 року через цеху заводу Hawker викотили першу дослідну машину. Спочатку Р.1127 Kestrel (так був незабаром названий літак) зробив цикл пробних зльотів «на прив'язі» (його прикріпили до землі сталевими тросами). Це було необхідно для точного визначення характеристик силової установки і дослідження особливостей аеродинаміки літака. Нарешті, після ретельної обробки отриманої інформації та внесення необхідних змін льотчик-випробувач Білл Бредфорд підняв машину в повітря по-справжньому. Доведення і випробування Kestrel йшли в дуже швидкому темпі, і вже через рік Бредфорд успішно здійснив першу посадку на авіаносець Arc Royal. Тим часом конструктори фірми Rolls-Royce значно поліпшили характеристики свого двигуна, і практично повністю перепроектований Р.1127 пішов в серію під назвою Harrier Gr.1 (harrier перекладається як «болотний лунь»). Перша ескадрилья з 12 машин була укомплектована в 1969 році. Її основним завданням стало вироблення тактичних прийомів для застосування незвичайного літака.

Анатомія «Луня»

Головні особливості конструкції Harrier - в його силовій установці і системі управління літаком. Двигун Pegasus ( «Пегас») має чотири реактивних сопла, розташованих попарно по боках літака і здатних синхронно повертатися на 89,5 ° за допомогою спеціальної ланцюгової передачі. Таким чином, при вертикальному зльоті підйомна сила прикладається в чотирьох точках, що надає літаку додаткову стійкість. Передні два сопла з'єднані з турбокомпресором низького тиску, а задні - з камерою згоряння двигуна. Завдяки тому що двигун на літаку всього один, розподіл тяги по чотирьом соплам значно полегшується, так як відсутня необхідність точного узгодження роботи декількох двигунів. За рахунок зміни положення сопел уздовж своєї осі літак може виробляти вертикальні зліт і посадку, горизонтальний політ і навіть літати «хвостом вперед».

Тяга ПМД настільки велика, що, коли сопла Pegasus опущені вниз, льотчик практично не в силах сам контролювати стійке положення літака. На таких небезпечних режимах включається автоматична система реактивного управління. Вона складається з мікродвигунів, встановлених в носовій і хвостовій частинах, а також на консолях крил. Камер згоряння в цих двигунах немає, а працюють вони за рахунок викидання стисненого повітря, що надходить до них по спеціальних трубопроводах від компресора основного двигуна. Система реактивного управління дозволяє Harrier в режимі висіння повертатися на місці в будь-якому напрямку і управлятися по крену. Через особливості компонування на літаку використовується «велосипедна» схема шасі. Вона складається з двох основних стійок, розташованих уздовж осі літака, і двох підтримуючих, встановлених на кінцях крил.

Сумарна ємність внутрішніх паливних баків літака становить 2861 л, можлива також підвіска двох скидаються додаткових баків по 455 л. Велика кількість палива необхідно через величезної витрати при вертикальних зльоту і посадки, тому для підвищення економічності застосовується режим «укороченого» зльоту, при якому під час короткого розбігу частина підйомної сили створюється крилом, а частина - двигуном. Таке рішення дозволило значно збільшити радіус дії літака, а через свою дуже характерною манери польоту Harrier отримав прізвисько Jump Jet - «реактивний стрибунець». На випадок аварії літак обладнаний одним з найнадійніших катапульт крісел - Martin-Baker Mk.9. Зліт відбувається наступним чином: повернувши сопла в горизонтальне положення і поставивши літак на гальмо, льотчик виводить двигун на максимальні оберти, перекладом спеціальної рукоятки опускає сопла вниз, і реактивна струмінь відриває Harrier від землі.

В ході боїв за Фолклендські острови літаки Harrier продемонстрували високу ефективність і показали себе небезпечними супротивниками навіть для таких серйозних опонентів, як стоять на озброєнні Аргентини французькі винищувачі Mirage III. Але найголосніше про якості Harrier свідчить те, що з появою цієї чудової машини США і інші країни NATO надовго відмовилися від розробки власних СВВП.

Вертіджет Необхідна для успішної посадки Х-13 точність підходу до стартової щоглі становила близько 20 см, що було під силу далеко не кожному льотчику. При посадці пілотові доводилося орієнтуватися за спеціальними мітками, нанесеним на стартовій щоглі, і покладатися на команди з землі.

радянський досвід

У Радянському Союзі тематикою вертикального зльоту займалися багато ОКБ. В основному експерименти зводилися до установки підйомних двигунів на серійні машини. Але спроектувати серійний СВВП змогло тільки ОКБ Яковлєва. По ходу роботи по «вертікалка» було розглянуто чимало проектів. Одне незвичайне пропозиція полягала в використанні турбовентиляторного двигуна (за принципом роботи ідентичного «Пегас»), підйомні вентилятори якого повинні були монтуватися в крилі, а їх обертання здійснювалося газовим струменем, а не механічним приводом. Однак Яковлєв розумів, що створення нового двигуна з великою питомою тягою пов'язано з величезними труднощами, і запропонував створити дослідний літак з комбінованою силовою установкою - поєднанням підйомно-маршового і додаткового підйомного двигуна. Почалися експерименти з установкою підйомних двигунів на серійний перехоплювач Як-28, і вже в 1963 році перший радянський СВВП Як-36, керований Юрієм Гарнаєва, піднявся в повітря.

Компонування винищувача JSF F-35 VTOL

Незвичайна машина доставила чимало клопоту і конструкторам, і льотчикам: новий Як навчили літати ціною величезних зусиль. Конструкторам на чолі зі Станіславом Мордовін довелося подолати багато досі невідомих проблем, пов'язаних з обтіканням реактивним струменем корпусу літака і знаходиться поруч поверхні землі. Довелося навіть придумувати захист для покриття бетонної злітної смуги, яка не витримувала впливу гарячих газів. Окремою проблемою стала особливість аеродинаміки вертикального зльоту - виникнення розрідженого простору під крилами, яке буквально не дозволяло машині відірватися від землі. Чимало клопоту доставила і відпрацювання системи струменевих рулів, за принципом роботи ідентична тій, що стояла на «Харриере». Проте проблеми були вирішені, і незабаром Як-36, керований Валентином Мухиним, продемонстрував свої можливості на авіаційному святі в Домодєдово. Однак літак мав занадто скромним радіусом дії і невеликий корисним навантаженням, тому про серійне виробництво бойової машини мова не йшла.

Режими польоту F-35 1. Режим вертикальної посадки, коли підйомна сила створюється двигуном. 2. Режим короткого зльоту, при якому частина підйомної сили створюється крилом, а частина - двигуном. 3. Режим крейсерського польоту. Підйомний вентилятор вимкнений. 4. Політ на малій швидкості: працює система реактивного управління.

Спроба - не катування

Втім, отриманий досвід дозволив незабаром створити Як-38, який надійшов на озброєння морської авіації. Через відсутність в СРСР відповідного ПМД Як-38 оснастили відразу трьома двигунами, два з яких встановлювалися вертикально за кабіною льотчика і включалися тільки при зльоті та посадці, а третій - обладнаний поворотними соплами - був підйомно-маршовим. З одного боку, така схема знімала необхідність створення нового ПМД, але з іншого - два виключених при крейсерському режимі підйомних двигуна ставали марним баластом і катастрофічно «з'їдали» характеристики літака.

Використання відразу трьох окремих двигунів зажадало створення спеціальної системи, призначеної для координації їх роботи і регулювання тяги. Проблему вдалося вирішити без використання електроніки: пристрій було повністю механічним, що додатково підвищило надійність. Через великі проблеми з «зайвою вагою» конструкція Як-38 максимально полегшена, подекуди навіть на шкоду запасу міцності. Це унеможливило створення модифікації, призначеної для катапультного старту. Виникли проблеми з силовою установкою Як-38 - в умовах тропіків під час південних походів авіаносних крейсерів підйомні двигуни просто відмовлялися запускатися. Довелося встановити додаткові кисневі балони для живлення двигунів, що дозволило їм розвивати прийнятну тягу.

«Харрієр» на злеті. Зверніть увагу на опуклість на лівому воздухозаборнике: це обтічник штанги системи дозаправки в повітрі, що знаходиться в даний момент в прибраному положенні.

Бойові можливості Як-38 були надзвичайно обмеженими: по-перше, заради економії ваги довелося відмовитися від РЛС, а по-друге, ранні Яки не могли підняти в повітря нічого, крім некерованих ракет і бомб невеликого калібру, що робило їх практично марними в обороні - як проти морських, так і проти повітряних цілей. Авіаносному крейсеру в разі чого довелося б повністю покладатися на власну ППО і потужний протикорабельних ракетний комплекс «Граніт».

«Огірок»

Незважаючи на досить посередні льотні дані і образливе прізвисько «літак оборони топмачти», отримане через вельми скромного радіусу дії, Як-38 дозволив інженерам і військовим накопичити воістину безцінні напрацювання по експлуатації та застосування СВВП. Модифікацію Як-38М вже озброїли керованими ракетами і навчили злітати з коротким розгоном (заощаджуючи при цьому паливо), а для підготовки морських льотчиків була розроблена спеціальна програма, яка давала можливість ефективно навчати їх польотів на непростий в управлінні машині. Своє бойове хрещення «огірок», як називали його льотчики, проходив в Афганістані, в складі спеціально створеної для цього авіагрупи.

Під час конструювання Як-38 була розроблена унікальна по надійності система автоматичного примусового катапультування СК-3М. Справа в тому, що в багатьох випадках при відмові ряду систем під час зльоту льотчикові просто не вистачить швидкості реакції, щоб встигнути зреагувати на виниклу небезпеку. Скажімо, в разі відмови струменевих рулів при режимі висіння літак перевертається «на спину» за 1,5 с. СК-3М аналізує безліч параметрів, дозволяючи виявити небезпеку раніше людини, і видає сигнал на автоматичне катапультування пілота крісла К-36ВМ. В результаті, хоча рівень аварійності Як-38 для СРСР був просто рекордним, за весь час експлуатації цих літаків при включеній СК-3М не загинув жоден льотчик. На авіаносного крейсера «Мінськ» стався випадок, коли екіпаж був катапультований з-під води: на Як-38У (навчальна модифікація) відмовили двигуни, і впав поряд з кораблем літак почав швидко тонути. Вчасно спрацювала катапульта викинула обох льотчиків з кабіни вже пішов під воду літака - пілоти приземлилися на парашутах прямо на палубу крейсера. Після розпаду СРСР все Як-38 були списані, оскільки в цих машинах країна більше не потребувала. Останній політ цього літака відбувся під час підготовки до показовій програмі на авіасалоні МАКС-95 і закінчився аварією. Обидва пілоти залишилися живі.

Створений в кінці 1980-х років Як-41 став безпосереднім розвитком концепції Як-38, але з можливістю надзвукового польоту. Керував проектом син Олександра Яковлєва - Сергій Яковлєв. Спочатку на літак планувалося встановити єдиний підйомно-маршовий двигун, але в зв'язку зі смертю Дмитра Устинова, покровительствовавшего всій програмі, роботи по новій силовій установці затягнулися, а незабаром і зовсім затихли, і конструкторам нічого не залишалося, як прийняти рішення про використання схеми з комбінацією двигунів. Незважаючи на вже стала явною на досвіді Як-38 порочність такого рішення, споруда літака була необхідна для відпрацювання всіх систем і агрегатів з наступною переробкою машини під новий, потужний і економічний турбовентиляторний двигун. Польоти модернізованого варіанту Як-41М почалися 9 березня 1987 года, і з проходженням кожного етапу випробувань ставало дедалі очевидніше, що літак вийшов досить вдалим. Про його унікальності говорить і те, що льотчик Андрій Синіцин встановив на ньому 12 світових рекордів скоропідйомності і висоти польоту для СВВП. З розвалом Радянського Союзу хід робіт по машині, що отримала нову назву - Як-141, - сповільнився, а що відбулася в 1991 році аварія послужила лише приводом для згортання проекту.

Європа

Певного успіху в конструюванні СВВП домоглася и Франція, на качану 1960-х років Почаїв розробка Власний машин. Дерло з них став винищувач Mirage-Balzac, обладнання кроме маршового двигуна Orpheus 803F аж вісьмома підйомнімі! Випробування літака в 1964 году закінчіліся катастрофою. Наступний літак, Mirage V, повторював конструкцію попередника, став першим в світі надзвуковим СВВП. Однак і він зазнав аварії, і роботи були зупинені на користь традиційних літаків зі звичайними злетом і посадкою.

В кінці 1960-х років в Німеччині розроблялося кілька проектів СВВП: першим був тактичний транспортний літак Dornier Do.31. Незважаючи на успішні випробування, роботи по Do.31 були припинені ... через конкуренцію з транспортними вертольотами, в результаті опинилися більш зручними у використанні. Ще одна незвичайна розробка німецьких інженерів - надзвуковий винищувач-перехоплювач EWR-Sud VJ-101, підйомно-маршові двигуни якого розташовувалися в двох поворотних мотогондолах на закінцівках крила (а додаткові підйомні - в фюзеляжі). За розрахунками система повороту всього двигуна повинна була давати певний виграш у вазі в порівнянні зі зміною вектора тяги за рахунок поворотного сопла. Реактивне управління цього літака працювало за рахунок регулювання тяги самої силової установки. Таким чином, в режимі висіння літак балансував на трьох двигунах. Незважаючи на красу конструкції і непогані характеристики, отримані під час польотів, VJ-101 так і не був запущений в серію. Роботи німецького концерну VFW-Fokker по винищувачу VAK-191 з двигуном Pegasus також не увінчалися успіхом: характеристики поставленого на потік Harrier виявилися вищими, і «доводити» нову машину було просто недоцільно.

подальші перспективи

Незважаючи на широке використання літаків Harrier ВМС США, розробки СВВП в цій країні не зупинилися. За деякими даними, в середині 1990-х років між ОКБ ім. А.С. Яковлєва та фірмою Lockheed Martin була укладена угода про спільні роботи в рамках програми JAST зі створення перспективного винищувача для ВПС США (пізніше перейменований в JSF). Відповідно до цієї угоди ОКБ ім. А.С. Яковлева представило американській стороні інформацію і результати досліджень по СВВП, а також ескізні проекти майбутнього винищувача Як-201. Ці дані були використані при створенні JSF F-35 Lightning II, найсучаснішої розробки в цьому напрямі. На сьогоднішній день цей літак знаходиться в стадії льотних випробувань. Новий багатофункціональний винищувач повинен буде замінити собою цілий ряд бойових літаків, в числі яких і морально застарілий, не дивлячись на безперервну та ефективну модернізацію, Harrier. У силовій установці F-35 використовується турбовентиляторний двигун F-119-PW100, який був розроблений фірмою Pratt & Whitney спеціально для F-35. Ще новий літака у варіанті VTOL - використання зовнішнього вентилятора, встановленого в фюзеляжі вертикально. Крутний момент на обертові в протилежні сторони крильчатки передається від турбіни через вал.

Багато сучасні військові аналітики досить скептично ставляться до F-35 у варіанті VTOL, частково справедливо вважаючи, що застосування зовнішнього вентилятора (який відключений в польоті) - не найкраще рішення з точки зору економії ваги і що Lockheed Martin повторили багато в чому помилки ОКБ Яковлєва. Проте розвиток літаків з коротким (або вертикальним) зльотом і вертикальною посадкою - на сьогоднішній день один з найперспективніших і актуальних напрямків. Адже завдяки використанню розвідувальних супутників і високоточної зброї така споруда, як військовий аеродром, поступово йде в минуле, поступаючись місцем мобільним СВВП, здатним вилетіти на завдання з будь-якого п'ятачка.

Стаття опублікована в Журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2009 ).